CN112234610A - 集中式ftu控制的馈线自动化系统可靠性分析方法 - Google Patents

Abstract

集中式FTU控制的馈线自动化系统可靠性分析方法，涉及集中式馈线自动化系统技术领域。根据集中式馈线自动化系统的工作逻辑、配置开关元件的自动化程度和各种开关的动作特性，将馈线自动化动作过程中的配电网分成六个区域，可靠性分析模型中在故障定位、隔离、恢复三个阶段统计六个区域的参数，最终分析系统的可靠性指标。本发明提出计算模型讨论馈线自动化、动作策略、联络开关送电顺序、智能开关的配置方式对系统可靠性的影响。该可靠性计算模型在设计供电方式、开关配置、运行中的供电策略等方面有实际参考意义。

Description

集中式FTU控制的馈线自动化系统可靠性分析方法

技术领域

本发明涉及集中式馈线自动化系统技术领域，具体是涉及一种集中式FTU控制的馈线 自动化系统可靠性分析方法。

背景技术

配电网是直接向商业、农业、居民等各类用户直接供电的网络，供电可靠性直接影响 用户体验，据统计用户停电事故80％是由配电网故障引起，因此研究配电网可靠性的影响 因素对减少用户停电次数、停电范围，减少经济损失至关重要。馈线自动化可以实现自动 隔离故障区域，恢复非故障区域供电，提高供电可靠性。

具有集中式馈线自动化系统的配网系统，通过FTU实现对配网的自动控制。FTU的测 控功能、配网的控制策略、一次设备的可靠性等都影响配电网的可靠性。目前配网可靠性 研究较多。李卫星等所提出的复杂辐射状配电系统的可靠性评估中对复杂放射式配电网提 出了可靠性计算的遍历搜素方法。刘柏私等所提出的复杂中压配电网的可靠性评估分块算 法中采用了分块算法，同块元件具有相同的停电逻辑，减少遍历搜索时间。谢开贵等所提 出的面向开关的配电网可靠性评估算法中提出了一种面向一次设备的配网可靠性模型。另 外，An overview of reliability models and methods for distributionsystems with renewable energy distributed generation一文中提出了一种考虑分布式能源的配电网可靠性评估算法。但是， 以上文献并未考虑馈线自动化系统对配电网可靠性的影响。

Impact of two-stage service restoration on distribution reliability一文中初步考虑了自动控 制装置的影响，将动作过程分自动和人工两部分。Reliabilityevaluation of automated radial distribution system一文中计及了自动控制系统的通信系统、控制中心的可靠度对配网可靠性 指标影响。Reliability assessment ofdistribution systems considering telecontrolled switches and microgrids一文(以下简称对比文献)中进行负荷分类时，考虑了馈线终端的因素。以上文 献对馈线自动化系统的考虑不充分，没有考虑“三遥”系统失效的类型，也没有计及馈线自动 化系统的定位功能。

商海涛等所提出的计及集中式馈线自动化的配电网可靠性评估模型中计及FTU的失效 情况，及馈线自动化系统的辅助定位功能，但是对馈线的控制策略分析不充分，且采用停 电时间划分负荷类型，算法复杂。

本发明在细分考虑FTU“三遥”系统失效模型的基础上，根据馈线自动化系统的隔离、 定位功能，对负荷划分区域。对不同控制策略，考虑二次系统故障情况，采用负荷遍历、时间叠加方法，统计得到各个负荷、系统的可靠性指标。本发明充分考虑了馈线自动化的功能、故障因素、控制策略等因素的影响，适用于复杂配电网络。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种集中式FTU控制的馈线自动化系统可靠性分析方法， 并提出计算模型讨论馈线自动化、动作策略、联络开关送电顺序、智能开关的配置方式对 系统可靠性的影响。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：集中式FTU控制的馈线自动化系统 可靠性分析方法，根据集中式馈线自动化系统的工作逻辑、配置开关元件的自动化程度和 各种开关的动作特性，将馈线自动化动作过程中的配电网分成六个区域，可靠性分析模型 中在故障定位、隔离、恢复三个阶段统计六个区域的参数，最终分析系统的可靠性指标。

具体地，集中式FTU控制的馈线自动化系统可靠性分析方法，步骤如下：

一、配网中的馈线装设配置三遥功能的三遥开关、配置二遥功能的二遥开关、在继电 保护装置作用下跳闸的保护开关、以及无终端的普通开关，保护开关为熔断器、断路器；主站通过相邻两个开关的“遥测”信息判断故障区域，靠“遥控”功能隔离故障区域；

二、可靠性分析模型的构建

1)、故障后状态区域的划分与定义

配网中配置了自动化程度不同的开关元件，根据集中式馈线自动化系统的工作逻辑和 各种开关的动作特性，将馈线自动化动作过程中的配电网分成如下区域：

a、自动定位区

主站通过遥测信息确定的故障元件区域；故障临近周围所有遥测开关正常为基本自动 定位区，如果基本定位区边界有遥测开关失效，则靠边界外下一级遥测开关定位，此时的 故障定位区域为扩大自动定位区；

b、自动隔离区

通过遥控可以隔离故障的区域称为自动隔离区；如果故障后临近周围遥控开关正常为 基本自动隔离区；如果基本自动隔离区边界有有遥控开关失效，则靠边界外下一级遥控开 关隔离，此时的故障隔离区为扩大自动隔离区；

c、手动隔离区

手动操作可以隔离故障的最小区域；

d、自动停电区

自动停电区初始区域为自动隔离区；自自动隔离区的各个边界开关往外围查找直至末 端负荷；如果该方向查找到联络开关，则该方向自动停电区边界开关回到初始自动隔离区 开关，如果该方向查找至末端负荷仍未发现联络开关，则自动停电区该方向移至负荷末端；

e、手动停电区

手动停电区初始区域为手动隔离区；自手动隔离区的各个边界开关往外围查找直至末 端负荷；如果该方向查找到联络开关，则该方向自动停电区边界开关回到初始手动隔离区 开关，如果该方向查找至末端负荷仍未发现联络开关，则手动停电区该方向移至负荷末端；

f、定位停电区

定位停电区初始区域为自动定位区；自自动定位区的各个边界开关往外围查找直至末 端负荷；如果该方向查找到联络开关，则该方向定位停电区边界开关回到初始自动定位区 开关，如果该方向查找至末端负荷仍未发现联络开关，则定位停电区该方向移至负荷末端；

以上六个区域中自动定位区起到判断故障点的辅助作用；自动隔离区与手动隔离区边 界开关为实际动作开关，也是控制策略过程中的逻辑区域；

2)、故障后馈线自动化系统动作模型

集中式馈线自动化系统动作过程总体分三个过程：故障定位、故障隔离、故障恢复；

a、故障定位：

配电网i元件处出现故障，则从i向上、下游遍历直到找到故障定位开关，以此作为故 障定位边界区域；如果没有终端故障则该边界区域为基本自动定位区；如果有终端故障， 则由该终端向外遍历搜索至下一个定位终端，确定该区域为扩展自动定位区；考虑单一故 障形式；设基本自动定位区域边界“二遥”开关x个，“三遥”开关y个，则i故障以后总的自 动定位状态有x+y+1个；

i元件故障以后，向上、下游遍历找到故障隔离开关，如果没有终端故障则该区域为基 本自动隔离区域；如果某个终端隔离失败，则向外遍历下一个隔离终端；设基本自动隔离 终端有y+z个则i故障以后总的开关定位状态有y+z+1个；

b、故障隔离

通过以上过程，馈线自动化形成自动隔离区即自动停电区域；故障在自动定位区；容 易得到自动隔离区域大于等于自动定位区域；根据故障类型和故障特点容易判断两个区域 大小；当无故障或者定位失效时，自动隔离区域等于自动定位区域；

人工在自动定位区中查找元件确定位置，为便于操作，如果有联络开关对自动定位区 手动停电，形成手动隔离区，停电范围减少到手动隔离区，手动隔离区小于等于自动定位 区小于等于自动隔离区区；当自动定位区各边界均有联络开关时，自动定位区等于手动定 位区；

c、故障恢复过程

根据恢复过程的不同采取如下四种策略，四种策略计算中参数为：自动停电区总负荷 数N_z，自动停电区内l_z个变压器，手动停电区总负荷数N_s，手动停电区内l_s个变压器，定 位停电区域总负荷数N_d，定位停电区内l_d变压器，所有负荷总的停电时间T_all；

①馈线自动化实现隔离故障区域恢复非故障区域供电形成自动隔离区，该过程耗时t₁， 停电区域为自动停电区；在自动定位区中人工检修，排查故障确定故障元件，该过程耗时t₂修复故障元件耗时t₃，故障解除后，恢复自动隔离区该过程耗时t₅，最终全部恢复供电；

②馈线自动化实现隔离故障区域恢复非故障区域供电即形成自动隔离区，耗时t₁，到现 场在自动定位区域内查找到具体故障，耗时t₂，手动开关形成手动隔离区，恢复自动隔离 区内手动隔离区外的故障范围供电，耗时t'₄，以上过程停电区域为自动停电区，自t'₄动作 时间结束，停电区域变为手动停电区；然后修复自动定位区已查找到的故障，耗时t₃，最 后恢复手动故障定位区，恢复正常供电耗时t”₄；

③馈线自动化实现隔离故障区域恢复非故障区域供电即形成自动隔离区，耗时t₁，判断 自动隔离区与自动定位区是否重合，如果重合按照策略②进行；如果不重合断开手动断开 自动定位区边界开关，恢复自动自动隔离区内自动定位区外区域供电耗时t₄，至此停电区 域为自动停电区；在自动定位区中查找到具体故障元件，耗时t₂，手动开关形成手动隔离 区，恢复自动定位区内手动隔离区外的区域供电，耗时t'₄，至此停电范围为定位停电区； 修复故障，耗时t₃，手动开关，恢复手动隔离区的供电，恢复正常供电，耗时t”₄，至此停 电区域为手动停电区；

④馈线自动化实现隔离故障区域恢复非故障区域供电即形成自动隔离区，耗时t₁，判断 自动隔离区与自动定位区是否重合，如果重合按照策略①进行；如果不重合断开自动定位 区边界开关，恢复自动定位区与自动隔离区中间区域供电耗时t₄，至此停电范围为自动停 电区；在自动定位区中查找到具体故障元件，耗时t₂，修复故障，耗时t₃，手动开关，恢 复手动隔离区的供电，恢复正常供电，耗时t'₄，该过程停电范围为定位停电区；

以上动作过程时间分析中：

t₁为故障自动定位隔离时间，与馈线自动化的动作时间有关；

t₂为故障查找时间，与自动定位区元件数成正比；假设单个元件平均故障查找时间为t₁， 则N个元件的故障查找时间期望是：

t₃为故障元件修复时间，这里主要区分故障元件是输电线路还是变压器，取变压器的 平均故障修复时间和输电线路的平均故障修复时间；

t₄为手动恢复或停电时间与需要手动恢复或者停电的开关数成正比，假设点对点直线 式供电，手动恢复供电需要操作一个开关的时间为T₂则手动恢复M个开关需要的操作时间 是t₂＝T₂M；

t₅为电动恢复供电的时间；

3)、系统可靠性的算法实现

a、对系统编程预处理

为分析方便对系统开关、元件分别进行编号，开关取S1、S2、S3、……依次编号， 其他元件主要是变压器和输电线路取1、2、3……依次编号；该节点为子节点，沿电源方 向前推为父节点，电源供电断路器支路为主干线，其他线路为分支线；父节点，子节点的 概念适用于分支线和主干线；编号原则为：同一支路始终保证父节点的编号大于子节点； 遍历元件时候编号从小到大；停电区遍历联络开关按照元件号从小到大；

b、可靠性指标的算法

可靠性的分析一般包括元件的可靠性指标、负荷可靠性指标和系统的可靠性指标；负 荷的可靠性指标包括平均故障率、年停电时间、平均修复时间；

考虑元件故障后馈线自动化各种动作策略结束到稳定运行，负荷点停电为一次故障； 则负荷平均故障率由输电线路变压器等元件的故障率和接线方式决定与配网自动化的装设 无关；某元件故障，元件父节点方向至最近一级遥控开关范围负荷不受影响，父节点方向 最近一级遥控开关至反方向元件停电；则负荷点的停电频率为：

(次/年)

式中1到R为父节点方向最近一级遥控开关至反方向元件；f_i为i元件的故障率，f_l为 负荷的停电率；

年停电时间和平均停电持续时间根据具体策略分析，系统的可靠性指标主要包括系统 平均停电时间(SAIDI)、系统平均停电频率(SAIFI)；计算系统可靠性指标步骤如下：

①系统有M个元件，按上述原则编号，从1号元件故障遍历，至M号负元件；

②i号元件故障，确定自动停电区总负荷数N_z，手动停电区总负荷数N_s，定位停电区域总负荷数N_d，对不同的控制策略确定为故障自动定位隔离时间t₁；故障查找时间t₂；故 障元件修复时间t₃，手动恢复或停电时间t₄，t₅为电动恢复供电的时间；

③则所有负荷总的停电时间T_all为：

④i负荷故障，遍历自动定位区、自动隔离区边界开关单一故障情况；确定手动隔离区、 自动定位区、自动隔离区；重复步骤②、③。

本发明的集中式FTU控制的馈线自动化系统可靠性分析方法，其有益效果表现在：

本发明考虑“三遥”开关的故障概率，根据集中式馈线自动化系统的工作逻辑、配置开关 元件的自动化程度和各种开关的动作特性，将馈线自动化动作过程中的配电网分成六个区 域。在可靠性分析模型中在故障定位、隔离、恢复三个阶段统计六个区域的参数，最终得 到系统的可靠性指标。本发明提出计算模型讨论馈线自动化、动作策略、联络开关送电顺 序、智能开关的配置方式对系统可靠性的影响。该可靠性计算模型在设计供电方式、开关 配置、运行中的供电策略等方面有实际参考意义。

附图说明

以下结合实施例和附图对本发明的集中式FTU控制的馈线自动化系统可靠性分析方法 作进一步的详述。

图1是集中式馈线自动化的基本原理图。

图2是故障后状态区域的逻辑示意图。

图3是配电网示意图。

图3中：

断路器，

三遥开关，

二遥开关，

普通开关，

熔断器

具体实施方式

请参阅图1所示，集中式馈线自动化的基本原理为：

QF1和QF2为10kV馈线出口断路器，其余为装设了FTU的负荷开关。S1为联络开关。线路出现故障，FTU将各个开关的信心通过通讯系统送入控制主站。主站判断故障区段， 发信号至相应FTU，FTU断开故障区域两侧开关，闭合出线开关和联络开关实现故障区段 隔离，恢复非故障区域正常供电。如F点瞬时故障，QF1重合成功，线路正常运行，F点永 久性故障，QF1重合闸跳开，主站根据各个FTU有没有检测到故障电流，判断故障区域在 QS11和QS12之间，跳QS11、QS12，合QF1，S1，隔离故障区段，恢复非故障区段供电。

自动控制系统如果能够正常工作，要求主站可靠，通信网络可靠，FTU可靠，开关可靠。主站可用度为Ams，网络可用度为Aaccm。这两个数据根据运行数据统计得到。

集中式馈线自动化模型分析假设主要有：

(1)考虑电压等级为10～35kV的架空线路为主的配电网系统；

(2)中性点接地方式为不接地；

(3)元件采用两状态表示即：运行/停运两种状态；

(4)考虑重合器和断路器100％可靠。

(5)不考虑计划检修情况；

(6)故障率等参数不受元件已工作时间影响，停电率、修复率为常数；

(7)元件平均工作时间和平均修复时间符合指数分布；

(8)不考虑元件叠加故障，即只考虑元件单一故障。

(9)忽略馈线自动化装置自动切换时间。

(10)不考虑人工动作开关的先后顺序。

(11)忽略线路长度对故障率的影响，线路故障率以条计。

基于上述集中式馈线自动化的基本原理，本发明的集中式FTU控制的馈线自动化系统 可靠性分析方法，根据集中式馈线自动化系统的工作逻辑、配置开关元件的自动化程度和 各种开关的动作特性，将馈线自动化动作过程中的配电网分成六个区域，可靠性分析模型 中在故障定位、隔离、恢复三个阶段统计六个区域的参数，最终分析系统的可靠性指标。

具体步骤如下：

一、配网中的馈线装设配置三遥功能的三遥开关、配置二遥功能的二遥开关、在继电 保护装置作用下跳闸的保护开关、以及无终端的普通开关，保护开关为熔断器、断路器。

FTU(馈线终端)可靠性分析如下：FTU一般设置“三遥”或者“二遥”功能。主站通过相 邻两个开关的“遥测”信息判断故障区域，靠“遥控”功能隔离故障区域。

分析故障两侧FTU“三遥”失效的情况：“遥控”失效，可以判断故障区域，但是不能控制 分闸，由开关上、下游下一个开关断开，事故范围扩大。“遥信”失效，能够判断故障位置， 无法判断开关位置，由开关上、下游下一个开关断开，事故范围扩大。“遥测”失效，无法判 断故障地点和开关的距离，由开关上、下游下一个开关断开，事故范围扩大。

“二遥”开关没有“遥控”功能，主要起定位作用，根据二遥是否正常工作，将其划分为二 遥有效和失效状态。具体分析见表1。

表1终端运行状态分析

二、可靠性分析模型的构建

1)、故障后状态区域的划分与定义

配网中配置了自动化程度不同的开关元件，根据集中式馈线自动化系统的工作逻辑和 各种开关的动作特性，将馈线自动化动作过程中的配电网分成如下区域(如图2所示)：

a、自动定位区

主站通过遥测信息确定的故障元件区域。故障临近周围所有遥测开关正常为基本自动 定位区，如果基本定位区边界有遥测开关失效，则靠边界外下一级遥测开关定位，此时的 故障定位区域为扩大自动定位区。

b、自动隔离区

通过遥控可以隔离故障的区域称为自动隔离区。如果故障后临近周围遥控开关正常为 基本自动隔离区。如果基本自动隔离区边界有有遥控开关失效，则靠边界外下一级遥控开 关隔离，此时的故障隔离区为扩大自动隔离区。

c、手动隔离区

手动操作可以隔离故障的最小区域。

d、自动停电区

自动停电区初始区域为自动隔离区。自自动隔离区的各个边界开关往外围查找(原电 源方向除外)直至末端负荷。如果该方向查找到联络开关，则该方向自动停电区边界开关 回到初始自动隔离区开关，如果该方向查找至末端负荷仍未发现联络开关，则自动停电区 该方向移至负荷末端。

e、手动停电区

手动停电区初始区域为手动隔离区。自手动隔离区的各个边界开关往外围查找(原电 源方向除外)直至末端负荷。如果该方向查找到联络开关，则该方向自动停电区边界开关 回到初始手动隔离区开关，如果该方向查找至末端负荷仍未发现联络开关，则手动停电区 该方向移至负荷末端。

f、定位停电区

定位停电区初始区域为自动定位区。自自动定位区的各个边界开关往外围查找(原电 源方向除外)直至末端负荷。如果该方向查找到联络开关，则该方向定位停电区边界开关 回到初始自动定位区开关，如果该方向查找至末端负荷仍未发现联络开关，则定位停电区 该方向移至负荷末端。

以上六个区域中自动定位区起到判断故障点的辅助作用。自动隔离区与手动隔离区边 界开关为实际动作开关，也是控制策略过程中的逻辑区域。自动停电区、手动停电区和定 位停电区负荷为可靠性指标计算中停电范围参数。在某些控制策略中，自动定位区边界开 关也作为动作开关。

2)、故障后馈线自动化系统动作模型

集中式馈线自动化系统动作过程总体分三个过程：故障定位、故障隔离、故障恢复。

a、故障定位：

配电网i元件处出现故障，则从i向上、下游遍历直到找到故障定位开关(保护开关、 断路器、二遥、三遥开关、联络开关、线路终端)，以此作为故障定位边界区域。如果没有终端故障则该边界区域为基本自动定位区。如果有终端故障，则由该终端向外遍历搜索至下一个定位终端，确定该区域为扩展自动定位区。考虑单一故障形式。设基本自动定位区域边界“二遥”开关x个，“三遥”开关y个，则i故障以后总的自动定位状态有x+y+1个。

i元件故障以后，向上、下游遍历找到故障隔离开关(三遥开关、联络开关、保护开关、 线路终端)，如果没有终端故障则该区域为基本自动隔离区域。如果某个终端隔离失败，则 向外遍历下一个隔离终端。设基本自动隔离终端有y+z个则i故障以后总的开关定位状态 有y+z+1个。

b、故障隔离

通过以上过程，馈线自动化形成自动隔离区即自动停电区域。故障在自动定位区。容 易得到自动隔离区域大于等于自动定位区域。根据上表所示故障类型和故障特点容易判断 两个区域大小。当无故障或者定位失效时，自动隔离区域等于自动定位区域。

人工在自动定位区中查找元件确定位置，为便于操作，如果有联络开关对自动定位区 手动停电，形成手动隔离区，停电范围减少到手动隔离区，手动隔离区小于等于自动定位 区小于等于自动隔离区区。当自动定位区各边界均有联络开关时，自动定位区等于手动定 位区。

c、故障恢复过程

根据恢复过程的不同采取如下四种策略

以下四种策略计算中参数为：自动停电区总负荷数N_z，自动停电区内l_z个变压器，手 动停电区总负荷数N_s，手动停电区内l_s个变压器，定位停电区域总负荷数N_d，定位停电区内l_d变压器，则所有负荷总的停电时间T_all为：

①馈线自动化实现隔离故障区域恢复非故障区域供电形成自动隔离区，该过程耗时t₁ (故障自动定位隔离时间)，停电区域为自动停电区。在自动定位区中人工检修，排查故障 确定故障元件，该过程耗时t₂(故障查找时间)修复故障元件耗时t₃(故障修复时间)，故 障解除后，恢复自动隔离区该过程耗时t₅，最终全部恢复供电。

②馈线自动化实现隔离故障区域恢复非故障区域供电即形成自动隔离区，耗时t₁(该过 程与策略①相同)，到现场在自动定位区域内查找到具体故障，耗时t₂(故障排查时间)， 手动开关形成手动隔离区，恢复自动隔离区内手动隔离区外的故障范围供电，耗时t'₄(手 动切换时间)，以上过程停电区域为自动停电区，自t'₄动作时间结束，停电区域变为手动停 电区。然后修复自动定位区已查找到的故障，耗时t₃(故障修复时间)，最后恢复手动故障 定位区，恢复正常供电耗时t”₄。

③馈线自动化实现隔离故障区域恢复非故障区域供电即形成自动隔离区，耗时t₁，判断 自动隔离区与自动定位区是否重合，如果重合按照策略②进行。如果不重合断开手动断开 自动定位区边界开关，恢复自动自动隔离区内自动定位区外区域供电耗时t₄，至此停电区 域为自动停电区。在自动定位区中查找到具体故障元件，耗时t₂，手动开关形成手动隔离 区，恢复自动定位区内手动隔离区外的区域供电，耗时t'₄，至此停电范围为定位停电区。 修复故障，耗时t₃，手动开关，恢复手动隔离区的供电，恢复正常供电，耗时t”₄，至此停 电区域为手动停电区。

④馈线自动化实现隔离故障区域恢复非故障区域供电即形成自动隔离区，耗时t₁，判断 自动隔离区与自动定位区是否重合，如果重合按照策略①进行。如果不重合断开自动定位 区边界开关，恢复自动定位区与自动隔离区中间区域供电耗时t₄，至此停电范围为自动停 电区。在自动定位区中查找到具体故障元件，耗时t₂，修复故障，耗时t₃，手动开关，恢 复手动隔离区的供电，恢复正常供电，耗时t'₄，该过程停电范围为定位停电区。

以上动作过程时间分析中：

t₁为故障自动定位隔离时间，与馈线自动化的动作时间有关。

t₂为故障查找时间，与自动定位区元件数成正比。假设单个元件平均故障查找时间为t₁， 则N个元件的故障查找时间期望是：

t₃为故障元件修复时间，这里主要区分故障元件是输电线路还是变压器，取变压器的 平均故障修复时间和输电线路的平均故障修复时间。

t₄为手动恢复或停电时间与需要手动恢复或者停电的开关数成正比，假设点对点直线 式供电，手动恢复供电需要操作一个开关的时间为T₂则手动恢复M个开关需要的操作时间 是t₂＝T₂M。

t₅为电动恢复供电的时间。

以图3所示的配电网为例，元件5故障，馈线自动化跳S7、S2、S4、S9，自动隔离 区为由元件(4、5、6、7、14、15、16)构成。合联络开关Ⅰ、联络开关Ⅱ恢复非故障区 域供电。自定定位区可以判断故障在由元件(4、5、6、7)构成。手动隔离区动作开关边 界为(S2、S7、S3、S14)由元件(4、5)构成。如果S8的遥测功能失效，则基本定位 区扩大到扩展定位区由元件(4、5、6、7、14、15、16)构成；自动隔离区不变。如果开 关S9的遥控功能失效，则基本定位区不变，基本隔离区扩大为扩展隔离区动作开关边界为 (S2、S7、S4、、S15、、S16、S18、S16、S12)，扩展隔离区由元件(4、5、6、7、14、 15、16、17、18、19、20、21、22、23、31、36)构成。

策略1的控制方式：元件5故障，自动切换时间非常短，不考虑该时间，故障定位区为(4、5、6、7)，停电区域为自动隔离区(4、5、6、7、14、15、16)，停电时间为故障 排查时间和故障元件恢复时间之和，故障元件修复后，电动合闸恢复停电区域即故障定位 区供电。

策略2的控制方式：元件5故障，不考虑自动切换时间，停电区域为(4、5、6、7、 14、15、16)，在故障低位区(4、5、6、7)中排查故障元件，耗时t₂，确定故障元件为5， 隔离故障元件需要动作开关(S2、S7、S3、S14)，S2、S7已断开，断开S3、S14 合上开关S3、S14恢复自动定位区内手动隔离区外区域供电，耗时t₄。

3)、系统可靠性的算法实现

a、对系统编程预处理。

为分析方便对系统开关、元件分别进行编号，开关取S1、S2、S3、……依次编号， 其他元件主要是变压器和输电线路取1、2、3……依次编号。该节点为子节点，沿电源方 向前推为父节点，电源供电断路器支路为主干线，其他线路为分支线。父节点，子节点的 概念适用于分支线和主干线。编号原则为：同一支路始终保证父节点的编号大于子节点。 遍历元件时候编号从小到大。停电区遍历联络开关按照元件号从小到大。

b、可靠性指标的算法

可靠性的分析一般包括元件的可靠性指标、负荷可靠性指标和系统的可靠性指标。对 配电网重在研究具体负荷点(某些重要负荷点)的可靠性指标和系统的可靠性指标。输电 线路、变压器等元件的故障率和修复时间根据具体配电网运行维修日志统计取期望值。负 荷的可靠性指标包括平均故障率、年停电时间、平均修复时间。

考虑元件故障后馈线自动化各种动作策略结束到稳定运行，负荷点停电为一次故障。 则负荷平均故障率由输电线路变压器等元件的故障率和接线方式决定与配网自动化的装设 无关。某元件故障，元件父节点方向至最近一级遥控开关范围负荷不受影响，父节点方向 最近一级遥控开关至反方向元件停电。则负荷点的停电频率为：

(次/年)

式中1到R为父节点方向最近一级遥控开关至反方向元件。f_i为i元件的故障率，f_l为 负荷的停电率。

年停电时间和平均停电持续时间根据具体策略分析，系统的可靠性指标主要包括系统 平均停电时间(SAIDI)、系统平均停电频率(SAIFI)。

本发明主要讨论系统的可靠性指标。以动作策略2为例计算系统可靠性指标步骤如下：

①系统有M个元件，按上述原则编号，从1号元件故障遍历，至M号负元件。

②i号元件故障，确定自动停电区总负荷数N_z，手动停电区总负荷数N_s，定位停电区域总负荷数N_d，对不同的控制策略确定为故障自动定位隔离时间t₁。故障查找时间t₂。故 障元件修复时间t₃，手动恢复或停电时间t₄。t₅为电动恢复供电的时间。

③则所有负荷总的停电时间T_all为：

④i负荷故障，遍历自动定位区、自动隔离区边界开关单一故障情况。确定手动隔离区、 自动定位区、自动隔离区。重复步骤②、③。

4)、算例

对照对比文献验证本发明算法的正确性，对比文献中不考虑开关故障因素，所有开关 均为“三遥”开关，不考虑馈线自动化的定位功能仅考虑其隔离功能。本发明算法考虑同对比 文献相同的影响因素，计算结果如下：

	SAIFI[次·(户·a)<sup>-1</sup>]	SAIDI[h·(户·a)<sup>-1</sup>]
			本发明	1.2700	5.329
对比文献	1.2700	5.329

因此，经验算，本发明提出的计算模型及算法合理。

对图3所示配电网络进行分析。参数如下：

馈线自动化系统可靠性参数即表1中P₁＝0.9752，P₂＝0.0148，P₃＝0.01，P₄＝0.99， P₅＝0.01，主站可用度Ams＝0.998，网络可用度Aaccm＝0.97，网络开关可靠率P_SW＝0.99。

集中式馈线自动化对配网系统可靠性指标的影响分析。

对图3算例考虑三种情况：情况1：不计馈线自动化系统；情况2：计及馈线自动化系统但不计其故障概率。情况3：计及馈线自动化系统及其故障概率。上述情况2和情况3均 采用控制策略1，且不考虑联络开关切换顺序。

计算结果如下：

对比表中情况1和情况2，3的数据可知采用馈线自动化系统大大减少了用户的平均停 电时间，可靠性提高。采用馈线自动化系统后，联络开关的自动切换需要时间，增加了系 统停电时间，虽然涉及元件负荷多，但联络开关切换时间很多，总体上时间不多。同时采用馈线自动化系统可以快速恢复自动隔离区以外的故障，减少系统的停电时间，且自动定位功能缩小了故障查找时间。总体上减少了系统的停电时间。对比表中情况2和情况3的 数据可知考虑馈线自动化系统的故障概率，系统平均停电时间有所增加，系统可靠性指标 有所下降。因为馈线自动化故障会导致定位区或者隔离区的扩大，导致停电范围或者搜索 范围的扩大，导致停电时间增加，好在馈线自动化故障概率低，从可靠性角度，装设馈线 自动化系统利大于弊。

动作策略对配网可靠性指标的影响分析。

不考虑馈线自动化故障，联络开关切换顺序。仅考虑控制策略不同。情况1，2，3，4分别对应上文中控制策略①②③④

策略2比策略1增加手动隔离区边界开关手动切换开关时间。对手动隔离区外，自动 隔离区内设备减少了故障元件停电时间，该停电总时间与动作开关个数、自动隔离区内负 荷数有关。变压器、输电线路元件的元件修复时间大于手动切换时间，综合考虑策略2比策略1可靠性提高。策略3比策略2增加自动定位区边界开关手动切换时间。对自动定位 区外自动隔离区内负荷停电时间缩短为手动开关切换时间。综合考核比策略2可靠性提高。策略4动作过程比策略3减少了手动隔离区开关切换时间，但是对手动隔离区外自动定位区内负荷增加了故障查找时间。策略4比策略1增加自动定位区边界开关动作时间，自动 定位区外自动隔离区内负荷的停电时间由故障查找检修时间缩短为边界开关动作时间。策略4比策略2自动定位区外，自动隔离区内负荷停电时间由故障查找时间缩短到边界开关动作时间，但手动隔离区外，自动定位区内负荷停电时间由故障查找时间增加到故障修复时间。

自动停电隔离故障区域过程中，联络开关送电顺序对配网系统可靠性指标影响。

馈线自动化系统动作过程中，判断故障区域结束后自动送电的过程顺序。自动送电顺 序采取以下几种方法。方法1按照原供电电源方向依次合联络开关。即联络开关送电先后 顺序为联络开关3、联络开关2、联络开关1。方法2按照负荷数多少选择送电顺序。即送电先后顺序为：联络开关1、联络开关2、联络开关3。控制策略都采用策略1。

分析表中数据易得合联络开关恢复供电时，从负荷多到负荷少动作有利于配网可靠性 指标提高。

智能开关的功能和配置方式对配电网可靠性指标的影响。

随着遥控开关的增加，继电保护设置更加复杂，线路误动作概率提高。实际工作工程 中控制遥控开关的数量。因此本部分仅设置主干线上开关的变化。设置方式1所有开关均 只有“二遥”功能。设置方式2主干线所有开关都具有“三遥”功能，其他开关配置与图3相同。

动作策略按照策略1，不考虑联络开关动作先后顺序。设置方式3为图3中设置方式。

	SAIFI[次·(户·a)<sup>-1</sup>]	SAIDI[h·(户·a)<sup>-1</sup>]	SAIDI改善百分比
				方式1	3.940	10.3434	17.68％
方式2	3.940	5.4291	56.79％
				方式3	3.940	5.5467	55.85％
对照组	3.940	12.5646	—

通过上表数据分析，合理增加智能开关数量、特别是三遥开关数量有利于提高系统的 可靠性。但是因为继电保护、安全性的制约，三遥开关配置不宜过多。

综上所述，本发明提出一种通过区域划分法对不同的控制策略确定停电时间和停电范 围最终得到可靠性参数的一种可靠性计算方法。该模型方法计及了集中式馈线自动化智能 终端的故障概率、考虑了不同的控制策略、也分析了集中式馈线自动化的可靠性指标的影 响因素。同时，该模型方法提供了一种对装设集中式馈线自动化的配电网络的可靠性指标 的计算方法。对该种配电网络，从可靠性角度，在设计供电方式、开关配置、运行中的供 电策略等方面有实际参考意义。

以上内容仅仅是对本发明的构思所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所 描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的构 思或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.集中式FTU控制的馈线自动化系统可靠性分析方法，其特征在于，根据集中式馈线自动化系统的工作逻辑、配置开关元件的自动化程度和各种开关的动作特性，将馈线自动化动作过程中的配电网分成六个区域，可靠性分析模型中在故障定位、隔离、恢复三个阶段统计六个区域的参数，最终分析系统的可靠性指标。

2.如权利要求1所述的集中式FTU控制的馈线自动化系统可靠性分析方法，其特征在于，步骤如下：

一、配网中的馈线装设配置三遥功能的三遥开关、配置二遥功能的二遥开关、在继电保护装置作用下跳闸的保护开关、以及无终端的普通开关，保护开关为熔断器、断路器；主站通过相邻两个开关的“遥测”信息判断故障区域，靠“遥控”功能隔离故障区域；

二、可靠性分析模型的构建

1)、故障后状态区域的划分与定义

配网中配置了自动化程度不同的开关元件，根据集中式馈线自动化系统的工作逻辑和各种开关的动作特性，将馈线自动化动作过程中的配电网分成如下区域：

a、自动定位区

主站通过遥测信息确定的故障元件区域；故障临近周围所有遥测开关正常为基本自动定位区，如果基本定位区边界有遥测开关失效，则靠边界外下一级遥测开关定位，此时的故障定位区域为扩大自动定位区；

b、自动隔离区

通过遥控可以隔离故障的区域称为自动隔离区；如果故障后临近周围遥控开关正常为基本自动隔离区；如果基本自动隔离区边界有有遥控开关失效，则靠边界外下一级遥控开关隔离，此时的故障隔离区为扩大自动隔离区；

c、手动隔离区

手动操作可以隔离故障的最小区域；

d、自动停电区

自动停电区初始区域为自动隔离区；自自动隔离区的各个边界开关往外围查找直至末端负荷；如果该方向查找到联络开关，则该方向自动停电区边界开关回到初始自动隔离区开关，如果该方向查找至末端负荷仍未发现联络开关，则自动停电区该方向移至负荷末端；

e、手动停电区

手动停电区初始区域为手动隔离区；自手动隔离区的各个边界开关往外围查找直至末端负荷；如果该方向查找到联络开关，则该方向自动停电区边界开关回到初始手动隔离区开关，如果该方向查找至末端负荷仍未发现联络开关，则手动停电区该方向移至负荷末端；

f、定位停电区

定位停电区初始区域为自动定位区；自自动定位区的各个边界开关往外围查找直至末端负荷；如果该方向查找到联络开关，则该方向定位停电区边界开关回到初始自动定位区开关，如果该方向查找至末端负荷仍未发现联络开关，则定位停电区该方向移至负荷末端；

以上六个区域中自动定位区起到判断故障点的辅助作用；自动隔离区与手动隔离区边界开关为实际动作开关，也是控制策略过程中的逻辑区域；

2)、故障后馈线自动化系统动作模型

集中式馈线自动化系统动作过程总体分三个过程：故障定位、故障隔离、故障恢复；

a、故障定位：

配电网i元件处出现故障，则从i向上、下游遍历直到找到故障定位开关，以此作为故障定位边界区域；如果没有终端故障则该边界区域为基本自动定位区；如果有终端故障，则由该终端向外遍历搜索至下一个定位终端，确定该区域为扩展自动定位区；考虑单一故障形式；设基本自动定位区域边界“二遥”开关x个，“三遥”开关y个，则i故障以后总的自动定位状态有x+y+1个；

i元件故障以后，向上、下游遍历找到故障隔离开关，如果没有终端故障则该区域为基本自动隔离区域；如果某个终端隔离失败，则向外遍历下一个隔离终端；设基本自动隔离终端有y+z个则i故障以后总的开关定位状态有y+z+1个；

b、故障隔离

通过以上过程，馈线自动化形成自动隔离区即自动停电区域；故障在自动定位区；容易得到自动隔离区域大于等于自动定位区域；根据故障类型和故障特点容易判断两个区域大小；当无故障或者定位失效时，自动隔离区域等于自动定位区域；

人工在自动定位区中查找元件确定位置，为便于操作，如果有联络开关对自动定位区手动停电，形成手动隔离区，停电范围减少到手动隔离区，手动隔离区小于等于自动定位区小于等于自动隔离区区；当自动定位区各边界均有联络开关时，自动定位区等于手动定位区；

c、故障恢复过程

根据恢复过程的不同采取如下四种策略，四种策略计算中参数为：自动停电区总负荷数N_z，自动停电区内l_z个变压器，手动停电区总负荷数N_s，手动停电区内l_s个变压器，定位停电区域总负荷数N_d，定位停电区内l_d变压器，所有负荷总的停电时间T_all；

①馈线自动化实现隔离故障区域恢复非故障区域供电形成自动隔离区，该过程耗时t₁，停电区域为自动停电区；在自动定位区中人工检修，排查故障确定故障元件，该过程耗时t₂修复故障元件耗时t₃，故障解除后，恢复自动隔离区该过程耗时t₅，最终全部恢复供电；

②馈线自动化实现隔离故障区域恢复非故障区域供电即形成自动隔离区，耗时t₁，到现场在自动定位区域内查找到具体故障，耗时t₂，手动开关形成手动隔离区，恢复自动隔离区内手动隔离区外的故障范围供电，耗时t'₄，以上过程停电区域为自动停电区，自t'₄动作时间结束，停电区域变为手动停电区；然后修复自动定位区已查找到的故障，耗时t₃，最后恢复手动故障定位区，恢复正常供电耗时t”₄；

③馈线自动化实现隔离故障区域恢复非故障区域供电即形成自动隔离区，耗时t₁，判断自动隔离区与自动定位区是否重合，如果重合按照策略②进行；如果不重合断开手动断开自动定位区边界开关，恢复自动自动隔离区内自动定位区外区域供电耗时t₄，至此停电区域为自动停电区；在自动定位区中查找到具体故障元件，耗时t₂，手动开关形成手动隔离区，恢复自动定位区内手动隔离区外的区域供电，耗时t'₄，至此停电范围为定位停电区；修复故障，耗时t₃，手动开关，恢复手动隔离区的供电，恢复正常供电，耗时t”₄，至此停电区域为手动停电区；

④馈线自动化实现隔离故障区域恢复非故障区域供电即形成自动隔离区，耗时t₁，判断自动隔离区与自动定位区是否重合，如果重合按照策略①进行；如果不重合断开自动定位区边界开关，恢复自动定位区与自动隔离区中间区域供电耗时t₄，至此停电范围为自动停电区；在自动定位区中查找到具体故障元件，耗时t₂，修复故障，耗时t₃，手动开关，恢复手动隔离区的供电，恢复正常供电，耗时t'₄，该过程停电范围为定位停电区；

以上动作过程时间分析中：

t₁为故障自动定位隔离时间，与馈线自动化的动作时间有关；

t₂为故障查找时间，与自动定位区元件数成正比；假设单个元件平均故障查找时间为t₁，则N个元件的故障查找时间期望是：

t₃为故障元件修复时间，这里主要区分故障元件是输电线路还是变压器，取变压器的平均故障修复时间和输电线路的平均故障修复时间；

t₄为手动恢复或停电时间与需要手动恢复或者停电的开关数成正比，假设点对点直线式供电，手动恢复供电需要操作一个开关的时间为T₂则手动恢复M个开关需要的操作时间是t₂＝T₂M；

t₅为电动恢复供电的时间；

3)、系统可靠性的算法实现

a、对系统编程预处理

为分析方便对系统开关、元件分别进行编号，开关取S1、S2、S3、……依次编号，其他元件主要是变压器和输电线路取1、2、3……依次编号；该节点为子节点，沿电源方向前推为父节点，电源供电断路器支路为主干线，其他线路为分支线；父节点，子节点的概念适用于分支线和主干线；编号原则为：同一支路始终保证父节点的编号大于子节点；遍历元件时候编号从小到大；停电区遍历联络开关按照元件号从小到大；

b、可靠性指标的算法

可靠性的分析一般包括元件的可靠性指标、负荷可靠性指标和系统的可靠性指标；负荷的可靠性指标包括平均故障率、年停电时间、平均修复时间；

考虑元件故障后馈线自动化各种动作策略结束到稳定运行，负荷点停电为一次故障；则负荷平均故障率由输电线路变压器等元件的故障率和接线方式决定与配网自动化的装设无关；某元件故障，元件父节点方向至最近一级遥控开关范围负荷不受影响，父节点方向最近一级遥控开关至反方向元件停电；则负荷点的停电频率为：

式中1到R为父节点方向最近一级遥控开关至反方向元件；f_i为i元件的故障率，f_l为负荷的停电率；

年停电时间和平均停电持续时间根据具体策略分析，系统的可靠性指标主要包括系统平均停电时间(SAIDI)、系统平均停电频率(SAIFI)；计算系统可靠性指标步骤如下：

①系统有M个元件，按上述原则编号，从1号元件故障遍历，至M号负元件；

②i号元件故障，确定自动停电区总负荷数N_z，手动停电区总负荷数N_s，定位停电区域总负荷数N_d，对不同的控制策略确定为故障自动定位隔离时间t₁；故障查找时间t₂；故障元件修复时间t₃，手动恢复或停电时间t₄，t₅为电动恢复供电的时间；

③则所有负荷总的停电时间T_all为：

④i负荷故障，遍历自动定位区、自动隔离区边界开关单一故障情况；确定手动隔离区、自动定位区、自动隔离区；重复步骤②、③。

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